RV64 指令集参考
RV64 指令集参考¶
本文档围绕 EmitMIR.cpp 中涉及的 RV64 指令展开，帮助你理解填空所需的指令语义。
1 RV64 概览¶
1.1 设计哲学¶
RISC-V 是一套开放标准的 RISC 指令集架构，核心特点：
- Load-Store 架构 — 所有算术/逻辑运算只在寄存器之间进行，访存必须通过专门的 load/store 指令。
- 本实验涉及的基础指令采用固定 32 位编码 — 解码逻辑非常规整。
- x0 恒为 0 — 硬连线到常数 0，读它永远得到 0，写它没有效果。这个设计省掉了大量"清零"和"比较是否为 0"的特殊指令。
1.2 寄存器¶
RV64 有 32 个 64 位通用寄存器 x0–x31，在 ABI 中有各自的名字和用途：
| 寄存器 | ABI 名 | 用途 |
|---|---|---|
| x0 | zero | 恒为 0 |
| x1 | ra | 返回地址 |
| x2 | sp | 栈指针 |
| x3 | gp | 全局指针 |
| x4 | tp | 线程指针 |
| x5–x7 | t0–t2 | 临时寄存器（caller-saved） |
| x8 | s0/fp | 保存寄存器 / 帧指针（callee-saved） |
| x9 | s1 | 保存寄存器（callee-saved） |
| x10–x17 | a0–a7 | 函数参数 & 返回值（caller-saved） |
| x18–x27 | s2–s11 | 保存寄存器（callee-saved） |
| x28–x31 | t3–t6 | 临时寄存器（caller-saved） |
本实验框架中，函数参数通过 a0–a7 传入（超过 8 个参数走栈），返回值放在 a0。Prologue 会把 ra 和 s0 保存到栈上，Epilogue 恢复后再返回。
1.3 指令编码格式¶
RV64 的指令分六种编码格式，不需要记住每一位的位置，只要知道每种格式的操作数结构：
| 格式 | 操作数 | 典型指令 |
|---|---|---|
| R | rd, rs1, rs2 | ADD, SUB, SLT |
| I | rd, rs1, imm12 | ADDI, LW, LD |
| S | rs1, rs2, imm12 | SW, SD |
| B | rs1, rs2, offset | BEQ, BNE |
| U | rd, imm20 | LUI, AUIPC |
| J | rd, offset | JAL |
本实验中你不需要直接构造二进制编码，框架用 emitMC(opcode, {operands...}) 把操作数交给 LLVM 的 MCInst 去处理。你需要关心的是"选哪条指令、操作数怎么填"。
2 算术指令¶
ADD — 寄存器加法¶
ADD rd, rs1, rs2 # rd = rs1 + rs2
R 格式，三个寄存器操作数。对应框架中的 emitVAdd。
SUB — 寄存器减法¶
SUB rd, rs1, rs2 # rd = rs1 - rs2
R 格式。注意 RISC-V 没有 SUBI 指令，如果想减一个常数，用 ADDI rd, rs1, -imm。对应 emitVSub。
ADDI — 加立即数¶
ADDI rd, rs1, imm # rd = rs1 + sign_extend(imm)
I 格式，立即数 12 位有符号，范围 -2048 ~ 2047。
这条指令在框架中被大量复用：
- 加载小常数：
ADDI rd, x0, imm— 因为 x0 恒为 0，所以效果是rd = imm。框架中emitVLoadImm就是这个。 - 寄存器复制：
ADDI rd, rs, 0— 相当于mv rd, rs。框架中emitVMov用的就是这个。 - 地址计算：
ADDI rd, sp, offset— 计算栈上对象的地址。
MUL — 乘法¶
MUL rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 × rs2)[63:0]
R 格式，取乘积的低 64 位。属于 RV64M 扩展。对应 emitVMul。
DIV — 有符号除法¶
DIV rd, rs1, rs2 # rd = rs1 ÷ rs2（有符号，向零取整）
R 格式，属于 M 扩展。除以 0 时结果为 -1（不产生异常）。对应 emitVDiv。
REM — 有符号取余¶
REM rd, rs1, rs2 # rd = rs1 % rs2（有符号）
R 格式，属于 M 扩展。结果的符号与被除数相同。对应 emitVRem。
3 位运算与逻辑指令¶
AND / OR / XOR — 寄存器位运算¶
AND rd, rs1, rs2 # rd = rs1 & rs2
OR rd, rs1, rs2 # rd = rs1 | rs2
XOR rd, rs1, rs2 # rd = rs1 ^ rs2
都是 R 格式。对应 emitVAnd、emitVOr、emitVXor。
XORI — 异或立即数¶
XORI rd, rs1, imm # rd = rs1 ^ sign_extend(imm)
I 格式。在本实验中最常见的用法是 XORI rd, rs, 1，即对一个 0/1 值取反。对应 emitVXori。
4 移位指令¶
移位指令分"寄存器给位数"和"立即数给位数"两套：
寄存器版¶
SLL rd, rs1, rs2 # rd = rs1 << rs2[5:0] 逻辑左移
SRL rd, rs1, rs2 # rd = rs1 >> rs2[5:0] 逻辑右移（高位补 0）
SRA rd, rs1, rs2 # rd = rs1 >> rs2[5:0] 算术右移（高位补符号位）
移位量只取 rs2 的低 6 位（因为 64 位寄存器最多移 63 位）。
立即数版¶
SLLI rd, rs1, shamt # rd = rs1 << shamt
SRLI rd, rs1, shamt # rd = rs1 >> shamt 逻辑右移
SRAI rd, rs1, shamt # rd = rs1 >> shamt 算术右移
shamt 是 6 位无符号立即数（0–63）。
逻辑右移 vs 算术右移¶
这个区别在处理负数时非常关键：
假设 rs1 = 0xFFFFFFFF_80000000（一个负数）
SRL: 高位补 0 → 右移 4 位得到 0x0FFFFFFF_F8000000
SRA: 高位补符号位 → 右移 4 位得到 0xFFFFFFFF_F8000000
LLVM IR 中 lshr 对应逻辑右移（SRL/SRLI），ashr 对应算术右移（SRA/SRAI）。填空时务必对应正确。
5 比较指令¶
RISC-V 没有 ARM 那样的状态寄存器（CPSR）和条件码（N/Z/C/V）。比较的结果直接写成 0 或 1 到目标寄存器里。
SLT — 有符号小于比较¶
SLT rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 < rs2) ? 1 : 0 有符号比较
SLTU — 无符号小于比较¶
SLTU rd, rs1, rs2 # rd = (rs1 < rs2) ? 1 : 0 无符号比较
SLTIU — 无符号小于立即数比较¶
SLTIU rd, rs1, imm # rd = (rs1 < imm) ? 1 : 0 无符号比较
特别地，SLTIU rd, rs, 1 的含义是"rs < 1（无符号）"，即"rs 是否等于 0"。框架中用它来实现 icmp eq。
从 SLT/SLTU 组合出所有比较谓词（重要）¶
LLVM 的 icmp 有十种整数比较谓词。RV64 只提供了"小于"两条指令，其余都靠组合：
| icmp 谓词 | 实现方式 | 思路 |
|---|---|---|
eq |
XOR tmp, lhs, rhs → SLTIU dst, tmp, 1 |
差为 0 则相等 |
ne |
XOR tmp, lhs, rhs → SLTU dst, x0, tmp |
差不为 0 则不等 |
slt |
SLT dst, lhs, rhs |
直接用 |
sgt |
SLT dst, rhs, lhs |
交换操作数 |
sle |
SLT tmp, rhs, lhs → XORI dst, tmp, 1 |
不大于 = 大于取反 |
sge |
SLT tmp, lhs, rhs → XORI dst, tmp, 1 |
不小于 = 小于取反 |
ult |
SLTU dst, lhs, rhs |
直接用 |
ugt |
SLTU dst, rhs, lhs |
交换操作数 |
ule |
SLTU tmp, rhs, lhs → XORI dst, tmp, 1 |
不大于取反 |
uge |
SLTU tmp, lhs, rhs → XORI dst, tmp, 1 |
不小于取反 |
这张表是 emitICmpInst 填空的核心参考。
6 访存指令¶
LD / SD — 8 字节读写¶
LD rd, offset(rs1) # rd = Memory[rs1 + offset]，读 8 字节
SD rs2, offset(rs1) # Memory[rs1 + offset] = rs2，写 8 字节
offset 是 12 位有符号立即数。框架中 emitVLoad 和 emitVStore 把 offset 固定写成 0，地址直接由寄存器给出。
LW / SW — 4 字节读写¶
LW rd, offset(rs1) # rd = sign_extend(Memory[rs1 + offset][31:0])
SW rs2, offset(rs1) # Memory[rs1 + offset][31:0] = rs2[31:0]
注意 LW 会对读出的 32 位值做符号扩展到 64 位。对应 emitVLoad32 和 emitVStore32。
在本实验中，i32 类型（4 字节）走 LW/SW，其余走 LD/SD。
7 控制流相关¶
本实验的控制流不直接对应单条 RV64 指令，而是用框架中的 VInst 抽象来表示：
| VInst::Kind | 含义 | 后续由 emitter 展开为 |
|---|---|---|
kBrUncond |
无条件跳转 | JAL x0, label（即 j label） |
kBrCond |
条件跳转（cond != 0 或 == 0 时跳转） | BNE/BEQ cond, x0, label |
kCall |
函数调用 | 参数搬到 a0–a7 + call label（汇编器伪指令，展开为 AUIPC+JALR，目标足够近时也可能松弛为 JAL） |
kRet |
函数返回 | 返回值搬到 a0 + epilogue + JALR x0, ra, 0（即 ret） |
填空部分不涉及控制流指令的直接构造，但 emitBranchInst 和 emitReturnInst 已经实现好了，理解它们有助于把握整体流程。
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